1920年，發(fā)明家特斯拉設(shè)計了一種被他稱作“瓣膜導(dǎo)管”的管道結(jié)構(gòu)，后人將其稱為特斯拉閥。這種管道的內(nèi)部設(shè)計可以確保流體沿一個特定的方向流動，而無需移動部件。據(jù)最近發(fā)表在《英國皇家學(xué)會學(xué)報B輯》上的一篇論文，特斯拉閥可以作為一個模型，用于解釋食物如何通過多種鯊魚的消化系統(tǒng)?；邗忯~腸道的最新CT掃描結(jié)果，科學(xué)家們得出結(jié)論，它們的腸道是一種天然的特斯拉閥。

液體只能單向流動

特斯拉閥中一個巧妙設(shè)計是一組相互連接的、不對稱的淚珠狀回路。在專利申請中，特斯拉描述這一串11個流體控制組件“由擴大、迂回、突出的擋板或斗狀結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)流體沿某一方向通過時，除了有表面摩擦外，幾乎沒有阻力，但是液體如果想從相反的方向流過幾乎不可能。”此外，由于特斯拉閥可以在不移動部件的情況下實現(xiàn)這一點，所以它更能承受頻繁操作帶來的磨損。

特斯拉稱，相反方向的水流通過閥門的速度可以相差200倍，這可能夸大其詞了。根據(jù)他的設(shè)計，紐約大學(xué)的一個科學(xué)家團隊于2021年建造了一個可以實際運行的特斯拉閥，并通過測量在不同壓力下，分別從兩個方向通過閥門的水流量來檢驗這一說法?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，水在兩個方向的流動速度僅差了約一半。

但是在實驗中，水的流速是一個關(guān)鍵的影響因素。當(dāng)水流較慢時，閥門提供的阻力很小，而一旦流速超過某個閾值，閥門的阻力就會增加，產(chǎn)生反向湍流，導(dǎo)致管道被渦流和破壞性水流“堵塞”。因此，根據(jù)論文共同作者利夫·萊斯托夫的說法，它實際上更像是一個開關(guān)，有助于平滑脈沖流，類似于交流/直流電轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。萊斯托夫認(rèn)為這可能正是特斯拉設(shè)計這個閥門的意圖，因為他最出名的發(fā)明就是交流電機和交流/直流電轉(zhuǎn)換器。

數(shù)字化掃描觀察腸道組織

現(xiàn)在，特斯拉閥為研究鯊魚不同尋常的腸道結(jié)構(gòu)提供了線索。鯊魚是食物鏈頂端的掠食者，能以多個物種為食，因此它們在生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的控制中具有很重要的作用。大多數(shù)鯊魚的螺旋腸中含有不同數(shù)量的褶皺，它們的基本形態(tài)有以下4種：柱狀、卷軸狀和兩種漏斗狀——包括細口指前和指后的兩種形式。這4種類型的腸道通常以二維草圖顯示，這些草圖包括鯊魚腸道解剖后的二維展開圖，或來自三維結(jié)構(gòu)成像的二維切片。但這些草圖并不能幫助科學(xué)家們深入了解該結(jié)構(gòu)是如何工作的。

“是時候使用現(xiàn)代技術(shù)來觀察鯊魚驚人的螺旋腸結(jié)構(gòu)了。”論文的共同作者，美國加州州立大學(xué)多明格斯山分校的薩曼莎·利說，“我們開發(fā)了一種新的數(shù)字化掃描方法，來掃描這些組織。通過這種方法，我們不需要對軟組織進行切片，就可以非常詳細地觀察它們。”

去年，日本研究人員用3D模型重建了一種貓鯊腸道組織的顯微切片圖像，這讓他們得以一瞥卷軸狀螺旋腸的解剖結(jié)構(gòu)。文章的共同作者亞當(dāng)·薩默斯和其在美國華盛頓大學(xué)富萊德港實驗室的同事認(rèn)為，CT掃描可能可以完成類似的工作，因為這項技術(shù)能從不同角度拍攝一系列X射線圖像，然后將它們組合成3D圖像。

“CT掃描是了解鯊魚腸道三維結(jié)構(gòu)為數(shù)不多的方法之一。”薩默斯說，“腸道如此復(fù)雜，有多層重疊在一起，解剖會破壞組織的脈絡(luò)和連接。這就像把一份卷起來的報紙剪開來閱讀，報道內(nèi)容沒法連貫起來。”

薩默斯等人從洛杉磯自然歷史博物館保存的22種鯊魚標(biāo)本和先前受贈的冷凍鯊魚標(biāo)本中獲得了腸道樣本。這些腸道樣本經(jīng)解剖取出后，用去離子水沖洗干凈。該團隊用液體填充腸道樣本，并將其冷凍干燥以保持形狀，然后對它進行掃描，獲得虛擬的3D模型。

接下來，該團隊對這4種未冷凍的腸道樣本進行多次實驗。例如，研究人員讓液體流過螺旋狀腸道結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)液體沿正向流動時，通常需要大約35分鐘才能通過;但是當(dāng)腸道方向顛倒后，這個過程的用時會翻倍。這與去年紐約大學(xué)的特斯拉閥實驗的結(jié)果一致。

該團隊還對5條安樂死的太平洋白斑角鯊進行實驗。研究人員讓不同黏度的有色液體通過螺旋腸，觀察螺旋肌對液體的反應(yīng)。腸道似乎減緩了食物的運動，通過重力和腸道平滑肌的收縮引導(dǎo)食物通過腸道。然而，肌肉收縮主要是用來混合和攪動流經(jīng)的液體：這種不尋常的腸道結(jié)構(gòu)足以推動任何東西移動。

這種奇特的腸道結(jié)構(gòu)之所以會進化出來，首要原因可能是鯊魚要間隔數(shù)天甚至數(shù)周才有一頓大餐。論文作者猜測，這種不尋常的螺旋結(jié)構(gòu)擴大了腸道的表面積和體積，從而延長了食物在腸道中停留的時間。這能促使更多的營養(yǎng)物質(zhì)被吸收，以及減少了消化食物所需的能量。